情報と物質の科学哲学 情報と物質の関係から見える世界像

情報と物質の関係を分析し、波束の収縮問題、心身問題、クオリア、時間の謎に迫ります。情報と物質の科学哲学を提唱。

量子力学が測定現象を説明できない明白な理由

2019-05-30 09:08:58 | 情報と物質の科学哲学
観測問題については現在でも様々な議論が続いています。
観測問題の一つは、ミクロな粒子とマクロな測定器とがどのように相互作用するのかを分析することです。
波束の収縮問題もこれに含まれます。

観測問題のもう一つは、ミクロ粒子に関わる現象をすべて量子力学で説明できるかというものです。
殆どの物理学者は、それが可能だと考えています。

以下では、この後者の問題について分析します。
便宜上、観測器を測定器と表現します。

測定器が測定値という情報を出力することについては、これまでのブログで度々取り上げてきました。
今回は、測定機に関わる現象を物理法則だけで説明することは原理的に不可能であることを証明します。

測定器にはモーターのような機械と本質的に違う部分かあります。
モーターに関わる現象は、物理法則で完全に説明できます。
一方、測定器に代わる現象は物理法則だけでは説明できない部分があります。
それは、測定器が測定値という情報を創発する機械だからです。

測定器の機能は次の通りです:
(1)測定する物理量の決定
(2)基準にする物理量の決定
(3)測定物理量と基準物理量との比較
(4)比較結果を測定値として定義
(5)測定値情報を物質(情報表現物質)で表現
(6)情報表現物質の出力
これらのことから、測定機にかかわる現象は物質現象情報現象の二面性があることが分かります。

以上のうち(4)と(5)の部分が物理法則では説明できません。
その理由は、次の通りです:
(1)物理学にはそもそも情報という概念がないので物理法則では扱えません
(2)測定値情報は測定器というシステムに依存する非客観的概念です
(3)物理学は、非客観的概念を説明できません。

結局、測定器に関わる現象で物理法則で説明できるのは物質現象の部分だけであり、測定値という情報に関わる現象(情報現象)は物理法則の説明対象から逸脱することが分かります。
この事実は、古典物理学と量子力学の双方に通用します。

量子力学における観測問題で特に問題視されるのは、超人ノイマンが意識の関与を認めても矛盾しないことを理論的に示したためです。
つまり、ノイマンは
(1)シュレーディンガーの猫の箱内部で放射性ガスの発生
(2)検知器による放射性ガスの検出
(3)検出器による毒ガス入りの瓶の破壊
(4)箱の窓から中から出てくる光の観測者の眼への入力
(5)眼の視覚細胞による電気パルスの発生
(6)脳神経回路への電気パルスの入力
(7)観測者の意識による猫の生死の判断
までの一連の物質現象をシュレーディンガー方程式で一貫して記述できることを示したのです。

ノイマンの説明に欠落していることは、観測(測定)に不可欠な情報概念の存在です。
更に、意識までもシュレーディンガー方程式で記述できるとしたことも問題です。
言うまでもなく、意識は主観的概念なので物理法則で説明することは不可能です。

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情報とその意味

2019-05-29 09:38:11 | 情報と物質の科学哲学
情報の例として測定値情報を取り上げます。
検出器は、最も簡単な測定器です。

有毒ガスを検出したときパルスを出力する検出器を考えます。
このパルスの利用法には次の2通りがあります。

(1)パルスのエネルギーを利用して警報ブザーを鳴らす場合には、わざわざ情報という用語を使う必要はありません。
何故なら、必要以上の概念を使うことを禁じたオッカムの剃刀に反するからです。

(2)警報ブザー側でパルスの有無を判定して利用する場合には、このパルスが有毒ガス検出という情報を表現していると言えます。
何故なら、このパルスから”有毒ガスの有無”という情報が得られるからです。
この場合、パルスは一種の記号として解釈できます。

抽象的な概念である情報は、物質的属性に還元することは不可能です。
情報をコンピュータその他に利用するときには、情報を何らかの方法により物質で表現する必要があります。
このような性格を持つ物質を情報表現物質と名付けます。
記録された記号数字文字などがその例です。

抽象的概念である情報は現実世界に実在しないので、これを測定者が読み取ることはできません。
測定値情報を情報表現物質で表現することにより、初めて測定者は測定値情報を読み取ることができるのです。
読み取った情報の意味は、測定者の脳内部で創発され意識化されます。

ロボットも測定値情報の読み取りはできますが、それはニューラルネットによるパターン認識によるものです。
もちろん、そこには意識化に相当するものはありません。
ロボットにできることは、読み取った測定値情報をロボット内部に蓄えられた他の情報と関連付けることです。
ロボットにとってその関連付けが情報の意味になると解釈できます。

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粒子の観測に人間は不要 観測問題は擬似問題

2019-05-26 09:04:41 | 情報と物質の科学哲学
観測による波束の瞬時収縮は、特殊相対論と矛盾すると考えられました。
アインシュタインらはこのことで量子力学は不完全であると批判したのです。

シュレーディンガーは、「シュレーディンガーの猫」という思考実験を提示して多くの議論と混乱をもたらしました。
これが観測問題と呼ばれるものの一つです。

ノイマンは、猫の生死を決めるのは観測者の主観であるとしても理論上問題ないことを証明しました。
観測問題に主観を登場させたことで更に混乱が増したのです。

観測問題の本質を明らかにするために次ぎのような単純化した測定モデルを考えます。

(1)粒子源から上向きスピン状態ψuと下向きスピン状態ψdの重ね合わせで表される粒子が出力されます。
(2)スピン検出器は、上向きスピンを検出したときに”u”、下向きスピンを検出したときに”d”と印刷されたカードを出力します。
(3)このときスピン検出器は観測結果を情報化しています。

実は、この時点で粒子の観測に関わる物質現象は完全に終了しているのです。
この事実は、人間は粒子の観測に不要であることを証明しています。

その後、カードに印字された記号からスピンの情報(上向きスピン、下向きスピン)を読み取る時点になって初めて人間が必要になるのです。
カード情報をいつ読み取るかは人間の都合で決まる恣意的なものです。
これも粒子の観測自体に人間が不要であることの理由になります。

従来の議論ではスピン検出器における情報化の過程が完全に欠落しています。
そのことが観測問題に観測者の主観が紛れ込む原因になっているのです。
観測問題は、観測に人間を介在させるために無用な混乱をもたらしています。

物理学者は、測定行為に不可欠な情報化という概念を無視しています。
この事実は、観測問題が擬似問題であることを証明しています。

情報化という概念が不可欠な測定に関わる現象を物理学だけで説明することは不可能なのです。
詳しい理由はブログ”情報概念を利用した物理主義破綻の証明”を是非ご覧ください。

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波動関数と波束の収縮の誤解を正す

2019-05-25 11:00:21 | 情報と物質の科学哲学
波動には重ね合わせの原理が成り立つという特異な性質があります。
これを用いると電磁波の干渉や回折現象力学的に説明できる。

シュレーディンガー方程式の波動関数ψも波動方程式を満たします。
量子力学は、二重スリット実験における電子の干渉縞をこの原理で説明します。

しかし、電磁波における波動の重ね合わせと波動関数における重ね合わせは本質的に違います:

電磁波の場合には電場および磁場という実体(測定できる物理量)があるので、
波動の重ね合わせは力学的現象として(物理量の加減算)として理解できます。

一方、波動関数ψは複素数なのでこれに対応する実体はありません。
波動関数は、実在しないのです。

波動関数の重ね合わせは、単に複素ベクトルの加減算に過ぎないのです。
更に、波動関数ψには確率的性格もあります。

複素ベクトルの加減算を力学的なイメージを伴う波動の干渉として表現するのは誤解を招きます。

以上から分かるように量子力学における波動関数の重ね合わせや干渉は
(1)物質的現象を意味するものではなく
(2)量子現象に関する「情報の重ね合わせ」つまり計算規則として理解すべきものなのです。

しかも、物理学者は確率の干渉という数学的に意味不明な用語を平気で用いています。

波動関数と1対1に対応するような物質現象は何もないのです。
それにも関わらず、教科書や参考書などでは恰も波動関数が実在するような記述が蔓延しています。

以上の説明を模式図で示します。


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波束の収縮とシュレーディンガーの猫 ノイマンの罪

2019-05-25 09:04:02 | 情報と物質の科学哲学
粒子源から1個の電子を自由空間に送出します。
この電子の状態は、波動関数ψで表されます。

電子は送出時には局所空間にあるので、ψも局所的性質を持つ波束で表されます。
波束ψは、シュレーディンガー方程式に従い時間の経過と共に拡散します。

波動関数ψは、拡散した空間内のすべての点で値を持ちます。
電子が粒子的性質だけを持つ場合、この説明は成り立ちません。

電子が検出器板で検出される前のψは空間に拡散した波動関数で表されますが、
電子が検出された瞬間にψは局所的な波束で表さます。
コペンハーゲン学派は、これを「検出によって波動関数が瞬時に収縮する」
と解釈しました。
この状況は、波束の瞬時収縮波束の瞬時崩壊などと呼ばれます。

波束の瞬時の収縮は光速を越えるのでアインシュタインはこれを批判しました。
シュレーディンガーも測定した瞬間に波束が収縮するという考えに反論するため
有名なシュレーディンガーの猫というパラドックスを提起しました。

異常な能力をもつため”火星から来た悪魔”と揶揄されたノイマンは、
「量子現象の測定が観測者の脳の中で終了する」
としても理論的に矛盾しないと主張しました。

測定に意識の関与を持ち込んだのです(観測問題)。
この場合、
(1)脳で猫の生死を判定するのは観測者の意識による主観的判定であって
(2)測定器による客観的測定ではないことに注意すべきです。

客観主義を標榜している物理学者は、主観と関わる観測問題を未だに議論しています。
これも量子力学のミステリーの一つです。

”シュレーディンガーの猫”は、量子力学の不可解さを象徴する話題として一般受けするため、
今でも多くの本が出版され続けています。
無用な混乱を招き続けるシュレーディンガーの猫は、一日も早く永眠させるべきです。

なお、波束の瞬時収縮は非物質的現象であり、そのために多くの混乱を招いています。
詳細は、ブログ”コペンハーゲン解釈の欠陥”にあります。

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